9 Der bipolare Transistor

9 Der bipolare Trasistor Der bipolare Trasistor ist ei Halbleiter-auelemet, bei dem mit eiem kleie Steuerstrom ei großer Hauptstrom gesteuert wird. 9.1 Aufbau ud Herstellugsverfahre Der bipolare Trasistor ist ei auelemet, i dem ierhalb eies ikristalls drei abwechseld p- ud -dotierte Halbleiterzoe mit zwei p-übergäge aufeiader folge. tspreched der Zoefolge liegt etweder ei p- oder ei pp-trasistor vor. Abbildug 9-1 Schichtefolge des Trasistors p-trasistor pp-trasistor p p p Jede der drei Zoe ist mit eiem äußere Aschluss versehe. Diese Aschlüsse trage die ezeichuge: - = mitter (äußere Zoe) - = asis (mittlere Zoe) - = Kollektor (äußere Zoe) Zur Herstellug vo Trasistore wurde/werde uterschiedliche Verfahre eigesetzt: - Spitze-Legierugstechik (historisch) Spitzetrasistor [auf eie Halbleiterkristall (asis) wurde zwei Metallspitze (mitter ud Kollektor) auflegiert] - Legierugstechik (historisch) Legierugstrasistor [i eie düe Halbleiterscheibe (asis) wurde vo beide Seite Dotierugsmaterial eigeschmolze (mitter ud Kollektor)] - Diffusiostechik Diffusiostrasistor, s, FT [bei hoher Temperatur diffudiere Atome der Dotierugselemete aus eier Dampfatmosphäre i eie Halbleiterscheibe ei] - oeimplatatio s, FT [Doator- bzw. Akzeptorioe werde im elektrische Feld beschleuigt ud i de Halbleiterkristall hieigeschosse] - pitaxie pitaxialtrasistor, s [auf eie Halbleiterscheibe wächst bei hoher Temperatur eie dotierte Halbleiterschicht aus der Dampfphase auf] 105

Der prizipielle Aufbau soll am eispiel eies modere p-trasistors, der als Teil eies itegrierte Schaltkreises i plaarer pitaxialtechik hergestellt ist, gezeigt werde. Abbildug 9-2 Aufbau eies Plaar-pitaxial-p-Trasistors Abbildug 9-1 gezeicheter Ausschitt (c) (d) p pitaxie ++ (f) p (e) p burried layer ++ (b) p-substrat (a) Auf eie p-dotierte Halbleiterscheibe (a) (Substrat; Dicke z.. 0,2 mm) lässt ma eie düe -dotierte pitaxiezoe aufwachse (c) (Dicke z.. 10µm). Für die Herstellug vo itegrierte Schaltuge aus mehrere Fuktioselemete ka die pitaxiezoe durch idiffudiere vo bis i das Substrat reichede p-dotierte Wäde (d) i eizele Teilbereiche (Wae) uterteilt werde. Zur Herstellug eies Trasistors wird i eie solche Wae eie p-dotierte Zoe (e) eidiffudiert. Diese p-zoe stellt später die asis, die verbleibede pitaxiezoe ierhalb der Wae de Kollektor des Trasistors dar. die p- dotierte asiszoe wird eie hochdotierte -Zoe (f) eidiffudiert, die de mitter des Trasistors bildet. Der Kristall wird ach auße mit eier isolierede Oxidschicht versehe. Durch Aussparuge i dieser Oxidschicht werde die Kollektor-, asis- ud mitterzoe mit äußere Aschlüsse versehe. Vor dem Aufbrige der pitaxiezoe wird i das Substrat uter die später etstehede pitaxiewae eie hochdotierte -Zoe (b) (burried layer) eidiffudiert, die für eie gerige ahwiderstad der Kollektorzoe (Widerstad bis zum Kollektoraschluss) sorgt. Die eizele Wae ierhalb der pitaxiezoe (d.h. die eizele Fuktioselemete eies itegrierte auelemetes) werde gegeeiader ud gegeüber dem Substrat durch Sperrpolug des dazwischeliegede p-übergags isoliert. Alle Fuktioselemete (z.. der Trasistor) befide sich daher i der düe pitaxiezoe; das Substrat (mit Ausahme der zum Kollektor gehörede burried layer) diet lediglich als mechaischer Träger. Für eie hohe Stromverstärkug des Trasistors (Verhältis des gesteuerte zum steuerde Strom) müsse folgede techologische ud kostruktive Merkmale vorliege: - hohe Majoritätsträgerkozetratio i der mitter- ud gerige Majoritätsträgerkozetratio i der asiszoe (durch etsprechede Dotieruge) - sehr gerige Dicke der asiszoe. 106

9.2 Fuktiosweise Zum Verstädis der Fuktiosweise des Trasistors ist die Ketis der i de Abschitte 1 ud 2 behadelte Halbleiterphysik erforderlich. s empfiehlt sich daher, diese Abschitte ochmals zu studiere. 9.2.1 Der Trasistoreffekt m etrieb als Verstärker wird der Trasistor grudsätzlich mit Sperrpolug des Kollektor- asis-p-übergags ud mit Flusspolug des asis-mitter-p-übergages betriebe. Die Fuktio des Trasistors wird im Folgede schrittweise am eispiel des p-trasistors erläutert. Die Schritte 1 ud 2 zeige de isolierte etrieb vo jeweils ur eiem der beide p-übergäge. Schritt 3 wird die Fuktio des gesamte Trasistors dargelegt. * Schritt 1: - Sperrspaug am Kollektor-asis-p-Übergag - mitter-aschluss offe (icht ageschlosse) Die itere Diffusiosspaug UD ud die vo auße agelegte Sperrspaug U verursache eie ausgedehte Raumladugszoe am Kollektor-asis-p-Übergag, sie stelle eie Potetialbarriere gege die Diffusio vo Majoritätsträger dar. s ist kei Majoritätsträgerstrom über de p-übergag möglich. Die Sperrspaug bildet jedoch keie arriere für Mioritätsträger. Alle Mioritätsträger, die i de iflussbereich der Kollektor-asis-Raumladugszoe (RZ) gerate, werde vielmehr vo der Sperrspaug durch diese Übergag hidurch gezoge. Die Mioritätsträgerdichte a de Greze der Raumladugszoe geht daher gege Null. s tritt ei Sperrstrom auf, der vo der Azahl der i der Raumladugszoe durch Paarbildug etstehede ud der Azahl der vo auße zum p-übergag diffudierede Mioritätsträger bestimmt wird ud weitgehed uabhägig vo der Größe der aliegede Sperrspaug ist. - + Abbildug 9-3 Mioritätsträgerstrom über de Kollektor-asis-Übergag Der Kollektor-asis-Sperrstrom bei offeem mitter wird mit 0 bezeichet. Wege der gerige Kozetratio vo Mioritätsträger ist dieser Sperrsättigugsstrom sehr klei. Da er vo Mioritätsträger aus Paarbildug verursacht wird, ist er stark temperaturabhägig. Wege des offee mitteraschlusses ist der emitterseitige p-übergag bei Schritt 1 icht a der Fuktio beteiligt. RZ p Paarbildug RZ U 107

* Schritt 2: - Flussspaug am asis-mitter-p-übergag - Kollektor-Aschluss offe (icht ageschlosse) Die auße agelegte Flussspaug U wirkt der itere Diffusiosspaug UD etgege ud baut die Potetialbarriere über dem asis-mitter-p-übergag ab. Dem Kozetratiosgefälle folged diffudiere daher Majoritätsträger über de p- Übergag: - lektroe diffudiere vo der mitterzoe i die asiszoe (Strom ). - Löcher diffudiere vo der asiszoe i die mitterzoe (Strom p). Da die Dotierug der mitterzoe sehr viel größer ist als die Dotierug der asiszoe, ist der lektroestrom vo der mitter- zur asiszoe sehr viel größer als der Löcherstrom p vo der asis- i die mitterzoe. Die Löcher aus dem Strom p rekombiiere ierhalb der mitterzoe alsbald mit de dortige Majoritätsträger, mit de lektroe. Die lektroe aus dem Strom rekombiiere i der asiszoe mit de dortige Majoritätsträger, mit de Löcher. Wege des größere Stromes ud wege der im Vergleich zum mitter gerigere Majoritätsträgerdichte i der asiszoe ist die mittlere Diffusiosläge der lektroe i der asis bis zur Rekombiatio vergleichsweise groß. Die absolute Größe der Ströme ud p lässt sich durch die Größe der agelegte Flussspaug U steuer (p-übergag i Flusspolug). Das gegeseitige Größeverhältis der Majoritätsträgerströme ud p wird dabei durch die Dotierug vo mitter- ud asiszoe bestimmt. - + U Abbildug 9-4 Majoritätsträgerströme über de asis-mitter-übergag p Rekombiatio Wege des offee Kollektoraschlusses ist der kollektorseitige p-übergag bei Schritt 2 icht a der Fuktio beteiligt. * Schritt 3: - Sperrspaug am Kollektor-asis-Übergag - Flussspaug am asis-mitter-übergag s fließe folgede Ströme: - Sperrstrom 0 am Kollektor-asis-p-Übergag (etspreched Schritt 1), - Löcherstrom p (sog. Nebestrom) vo der asiszoe i die mitterzoe (rekombiiert i der mitterzoe mit lektroe), - lektroestrom vo der mitterzoe i die asiszoe. Die i die asiszoe eidiffudierte lektroe breite sich i der asiszoe gleichmäßig i alle Richtuge aus. RZ p RZ 108

Da der Weg zum kollektorseitige p-übergag sehr kurz ist, erreiche die meiste lektroe diese p-übergag. Da die lektroe i der asiszoe vo der Art her Mioritätsträger sid, werde sie vo der am Kollektor-asis-Übergag aliegede Sperrspaug zur Kollektorseite abgesaugt (Hauptstrom). Nur ei kleier Teil der lektroe aus dem Strom rekombiiert i der asiszoe (Rekombiatiosstrom) ud erreicht de kollektorseitige p-übergag icht. - + - + U U Abbildug 9-5 Ströme im Trasistor im Verstärkerbetrieb Nebestrom Rekombiatios- Strom -Sperrstrom Hauptstrom p RZ RZ Die Ströme a de äußere Aschlüsse setze sich folgedermaße zusamme: mitterstrom asisstrom Kollektorstrom Hauptstrom Nebestrom Hauptstrom + Nebestrom + Rekombiatiosstrom + Sperrstrom 0 + Rekombiatiosstrom - Sperrstrom 0 Trasistor-ffekt: Durch eie Durchlassspaug a der asis-mitterdiode wird ei großer lektroestrom vo der mitter- i die asiszoe ausgelöst. Der größte Teil dieser lektroe wird vo der Sperrspaug am Kollektor-asis-Übergag zum Kollektor abgesaugt (Hauptstrom), ur ei kleier Teil rekombiiert mit Löcher i der asiszoe (Rekombiatiosstrom). Am asisaschluss fließt ur der vo der Flussspaug verursachte, sehr viel kleiere Löcherstrom p (Nebestrom) sowie der Rekombiatiosstrom. Mit eiem kleie Steuerstrom vo der asis zum mitter (asisstrom) wird daher ei großer Strom vom mitter zum Kollektor (Kollektorstrom) gesteuert. Damit der Hauptstrom vo der mitter- zur asis- ud da zur Kollektorzoe sehr viel größer ist als der Nebestrom, muss die mitterdotierug sehr viel größer sei als die asisdotierug. Damit der Hauptstrom zum Kollektor sehr viel größer ist als der Rekombiatiosstrom, muss die asisdotierug iedrig ud die asisdicke gerig sei. Wege der hohe mitterdotierug ist die Durchbruchspaug der asis-mitter-strecke relativ gerig. Damit die Durchbruchspaug der Kollektor-asis-Strecke höher ist, wird die Kollektordotierug deutlich iedriger als die des mitters gewählt. 109

9.2.2 Strömugsmechaisme im Trasistor Abbildug 9-6 terer Potetialverlauf im Trasistor Potetialverlauf ohe äußere Spaug U D Potetialverlauf mit äußere Spauge U U D U Abbildug 9-6 zeigt, dass ierhalb der mitter-, asis- ud Kollektorzoe des Trasistors kei Potetialgefälle auftritt. i Potetialgefälle liegt ur vor ierhalb der Raumladugszoe zwische mitter ud asis sowie zwische asis ud Kollektor. Am Kollektorstrom sid hauptsächlich lektroe aus der mitterzoe beteiligt. Die lektroebewegug durch die Raumladugszoe (RZ1) zwische mitter- ud asiszoe erfolgt aufgrud des Kozetratiosspruges zwische de beide Zoe als reier Diffusiosstrom. Der Strom durch diese Raumladugszoe ka fließe, da die vo der Diffusiosspaug UD gebildete Potetialbarriere durch die auße agelegte Flussspaug U reduziert ist. Die Sperrspaug a der kollektorseitige Raumladugszoe (RZ2) saugt alle durch die asiszoe kommede lektroe zur Kollektorzoe ab. erhalb dieser Raumladugszoe liegt ei Feldstrom vor. erhalb der asiszoe () sid die lektroe Mioritätsträger. Außer de aus dem mitter eidiffudierte lektroe sid kaum weitere vorhade. Weil ierhalb der asiszoe kei Potetialgefälle vorliegt, ka ur ei Diffusiosstrom aufgrud eies Kozetratiosgefälles d /dx fließe. Die Kozetratio p (x) der lektroe am emitterseitige de der asiszoe (x = 0) wird vo der Spaug U bestimmt: p (0) = p 0 U exp U T Die Kozetratio der lektroe am kollektorseitige de der asiszoe (x = W) wird vo der Spaug U bestimmt: (W U ) = p exp 0 (mit U < 0) U p 0 Liegt am Trasistor eie Kollektor-asis-Sperrspaug a, so saugt diese -uabhägig vo ihrer Größe- alle Mioritätsträger am kollektorseitige de der asiszoe ab. Die Mioritätsträgerkozetratio am kollektorseitige de der asiszoe ist da immer etwa Null. ei verachlässigbarer Rekombiatio i der asiszoe ist das Kozetratiosgefälle der lektroe etlag des Weges kostat ( d /dx kostat). mit U T = ud p 0 T RZ 1 RZ 2 k T 26 mv (für T = 300 K) e = Mioritätsträgerkozetratio i der asis im stromlose Zustad 110

erhalb der asiszoe stellt sich daher ei dreieckförmiger Kozetratiosverlauf der lektroe (Mioritätsträger) ei, wie er i Abbildug 9-7 dargestellt ist. p Abbildug 9-7 Diffusiosdreieck (liearer Maßstab) RZ RZ x Die lektroe diffudiere ihrem Kozetratiosgefälle folged durch die asiszoe. Der Strom durch die asiszoe ist proportioal zum Kozetratiosgefälle ud etspricht weitgehed dem Kollektorstrom, der sich damit agebe lässt: (mit = D D p (0) e A = U W T µ e A W p0 e U UT = U T µ = Diffusioskostate; A = asisquerschittsfläche) Auch ierhalb der mitterzoe () ud ierhalb der Kollektorzoe () erfolgt die lektroebewegug als Diffusiosstrom. Das hierzu erforderliche Kozetratiosgefälle fällt jedoch agesichts der dort vorliegede sehr hohe lektroekozetratio (Majoritätsträgerkozetratio) icht is Auge. 9.2.3 ifluss der Kollektor-asis-Spaug auf de Kollektorstrom ei kostater asisweite ist das Kozetratiosgefälle der Mioritätsträger ierhalb der asiszoe ud damit die Größe des Kollektorstromes i erster Näherug ur abhägig vo der asis-mitter-spaug ud weitgehed uabhägig vo der Kollektor-asis-Spaug. ie gewisse Abhägigkeit des Kollektorstromes vo der Kollektor-asis-Spaug tritt jedoch auf, weil diese ifluss auf die Sperrschichtweite WS des kollektorseitige p-übergags im Trasistor ud damit auf die asisweite W hat. ei gleicher Mioritätsträgerkozetratio am emitterseitige de der asiszoe führt eie Verkürzug der asisweite zu eier Vergrößerug des Kozetratiosgefälles der Mioritätsträger i der asis ud damit zu eier rhöhug des Kollektorstromes (Ma spricht vo asisbreitemodulatio bzw. vom sog. arlyeffekt ). Abbildug 9-8 ifluss der Kollektor-asis-Spaug auf das Diffusiosdreieck (arly-ffekt) (U2 >> U1) p 0 W ( d / dx) 1 1 ( d / dx) 2 2 0 W2 W1 WS2 = f(u2) WS1 = f(u1) Liegt a der Kollektor-asis-Strecke eie Flussspaug a, so köe die Mioritätsträger aus der asis icht zum Kollektor abgesaugt werde ud der Kollektorstrom sikt stark ab. x 111

9.3 Schaltzeiche - Richtugspfeile für Ströme ud Spauge Stromlaufpläe werde folgede Schaltzeiche für de bipolare Trasistor verwedet: Abbildug 9-9 Schaltzeiche des bipolare Trasistors p-trasistor pp-trasistor Vereibarugsgemäß zeige die Richtugspfeile aller drei Klemmeströme zum Trasistor. Die Richtugspfeile der drei Klemmespauge köe frei gewählt werde ud etspreche der Reihefolge der dices. Abbildug 9-10 Richtug vo Ströme ud Spauge am Trasistor U U U Für die Ströme ud Spauge am Trasistor gelte demach folgede Gleichuge: * Kotegleichug: + + = 0 * Maschegleichug: U = U + U 9.4 Trasistor-Grudschaltuge Der Trasistor verbidet immer eie steuerde mit eiem gesteuerte Stromkreis. Da sowohl für die Verbidug mit dem steuerde, wie auch für die Verbidug mit dem gesteuerte Stromkreis jeweils zwei Klemme erforderlich sid, der Trasistor jedoch ur drei Aschlüsse besitzt, muss eier der Trasistoraschlüsse sowohl dem steuerde igags- als auch dem gesteuerte Ausgagskreis zugeordet werde. Hierfür sid drei Variate möglich: Die asisschaltug, die mitterschaltug ud die Kollektorschaltug. 9.4.1 asisschaltug 9.4.1.1 Prizipschaltug R R Abbildug 9-11 Trasistor i asisschaltug US1 U U US2 ei der asisschaltug wird der Trasistor am mitter gesteuert (igagsstrom ), das Ausgagssigal wird am Kollektor abgegriffe (Ausgagsstrom ). 112

9.4.1.2 igagskeliie Die igagskeliie = f(u) ist die Keliie der mitter-asis-diode i Flusspolug. Abbildug 9-12 igagskeliie i asisschaltug - 9.4.1.3 Ausgagskeliie ei der asisschaltug ist der Kollektorstrom eie Fuktio des (eigeprägte) mitterstromes. Hierbei tritt der arlyeffekt (siehe Abschitt 9.2.3) icht i rscheiug. ie Auswirkug der Kollektor-asis-Sperrspaug auf de Kollektorstrom tritt praktisch icht auf. Aus diesem Grude sid die Ausgagskeliie = f(u) mit als Parameter im 1. Quadrate aäherd horizotale Liie (aäherd parallel zur U-Achse). 0 1V -U Abbildug 9-13 Ausgagskeliie i asisschaltug - Wird die Kollektor-asis-Spaug 0 oder gar egativ (Flusspolug statt Sperrpolug des -Übergags) da köe die Mioritätsträger aus der asis icht mehr vollstädig abgesaugt werde ud der Kollektorstrom sikt steil ab (2. Quadrat i Abbildug 9-13). 9.4.1.4 Übertragugskeliie 0 ie Übertragugskeliie zeigt grafisch die Abhägigkeit eier Ausgagsgröße vo eier igagsgröße. Da sich ud ur um de kleie Strom uterscheide, ist die Übertragugskeliie = f() (Stromsteuerkeliie) eie uter ca. 45 vom Ursprug ausgehede Gerade. U Abbildug 9-14 Stromsteuerkeliie i asisschaltug Der Kollektorstrom lässt sich auch als Fuktio der mitter-asis-spaug darstelle ( = f(u); Spaugssteuerkeliie). Da ud aäherd gleich sid, ähelt diese Übertragugskeliie der igagskeliie i asisschaltug. - 113

9.4.1.5 Stromverstärkug der asisschaltug ist der mitterstrom der igagsstrom des Trasistors, der Kollektorstrom der Ausgagsstrom. Abbildug 9-15 Stromaufteilugsschema für die asisschaltug (1 - A) A 0 - Der mitterstrom teilt sich auf - i eie größere Ateil A i Richtug Kollektor (Hauptstrom) ud - eie kleiere Ateil (1-A) i Richtug asis (Nebe- ud Rekombiatiosstrom) Zusätzlich zu diese Ströme fließt och der Kollektor-asis-Sperrstrom 0. Das Verhältis des steuerbare Ateils des Ausgagsstromes zum steuerbare Ateil des igagsstromes stellt die Stromverstärkug des Trasistors dar. Die Stromverstärkug A (=Alpha) des Trasistors i asisschaltug beträgt somit: Stromverst ärkug A = A = steuerbarerateil vo - steuerbarer Ateil vo + 0 Mit 0 << ergibt sich äherugsweise A 1 Reale Werte der Stromverstärkug A liege im ereich 0,95 A 0,999 Die Stromverstärkug A ist weitgehed uabhägig vo der Größe vo mitter- ud Kollektorstrom, d.h. die Stromverstärkug A eies Trasistors ist kostat. Für kleie Äderuge vo mitter- ud Kollektorstrom verwedet ma die di Wechselstromverstärkug α =. Für die meiste Aweduge gilt α A. di - 9.4.2 mitterschaltug 9.4.2.1 Prizipschaltug R R Abbildug 9-16 Trasistor i mitterschaltug US1 U U US2 ei der mitterschaltug wird der Trasistor a der asis gesteuert (igagsstrom ), das Ausgagssigal wird am Kollektor abgegriffe (Ausgagsstrom ). 114

9.4.2.2 igagskeliie Die igagskeliie = f(u) ist die Keliie der asis-mitter-diode. Abbildug 9-17 igagskeliie i mitterschaltug 9.4.2.3 Ausgagskeliie Die Ausgagskeliie stellt die Abhägigkeit des Kollektorstromes vo der Kollektor- mitter-spaug U z.. bei kostatem asisstrom dar Normalbetrieb (U U) Der Kollektorstrom ist i erster Näherug ur eie Fuktio des asisstromes (bzw. der asis-mitter-spaug). Aus diesem Grude sid die Ausgagskeliie = f(u) aäherd horizotale Liie (aäherd parallel zur U-Achse) mit bzw. (selte) U als Parameter. U = 0 0 1V U Abbildug 9-18 Ausgagskeliie i mitterschaltug ei geauer etrachtug ist festzustelle, dass die Ausgagskeliie i mitterschaltug icht geau parallel zur Spaugsachse verlaufe. Sie steige vielmehr wege des arlyeffekts (siehe Abschitt 9.2.3) mit zuehmeder Kollektor-mitter -Spaug leicht a. Die Steigug ist so, als gige alle Ausgagskeliie vo eiem gemeisame Pukt auf der Spaugsachse aus. Der Spaugswert dieses gemeisame Schittpuktes ist die arlyspaug UA. Die arlyspaug liegt bei p-trasistore zwische 80 V ud 200 V, bei pp-trasistore zwische 40 V ud 150 V. Abbildug 9-19 arlyspaug U -UA st die arlyspaug eies Trasistors bekat, so lässt sich die Steigug der eizele Ausgagskeliie abschätze; umgekehrt lässt sich die arlyspaug aus der Steigug der eizele Ausgagskeliie ermittel. U 115

Sättigugsbetrieb (U < U) Die Kollektor-mitter-Spaug ist die Summe aus Kollektor-asis- ud asis-mitter- Spaug. Sikt die Kollektor-mitter-Spaug uter die asis-mitter-spaug, so wird der Kollektor-asis-Übergag i Flusspolug statt i Sperrpolug betriebe (U < 0). Da köe die Mioritätsträger aus der asis icht mehr vollstädig abgesaugt werde ud der Kollektorstrom sikt steil ab. Der Trasistor arbeitet i der Sättigug. der Abbildug 9-18 ist die Greze U = 0 zwische Sättigugsbereich ud ormal aktivem ereich (U > 0) eigezeichet. 9.4.2.4 Übertragugskeliie Die Übertragugskeliie = f() (Stromsteuerkeliie) ist äherugsweise eie vom Ursprug ausgehede Gerade Abbildug 9-20 Übertragugskeliie i mitterschaltug U = 10V U = 6V Der Kollektorstrom lässt sich auch als Fuktio der asis-mitter-spaug darstelle ( = f(u); Spaugssteuerkeliie). Da ud - aäherd gleich sid, etspricht der Verlauf dieser Übertragugskeliie ugefähr dem der igagskeliie i asisschaltug. Wege der bestehede Abhägigkeit sollte bei de Übertragugskeliie jeweils agegebe werde, für welche Kollektor-mitter-Spaug sie gelte. 9.4.2.5 Stromverstärkug Abbildug 9-21 Stromaufteilugsschema für die mitterschaltug 0-0 +0 - Das Verhältis der steuerbare Ateile vo Kollektorstrom ud asisstrom wird als Stromverstärkug (= eta) des Trasistors i mitterschaltug bezeichet. steuerbarerateilvo Stromverst ärkug = steuerbarerateilvo = + 0 0 116

Meist sid ud sehr viel größer als 0. Da gilt für die Stromverstärkug i mitterschaltug äherugsweise: Werte der Stromverstärkug liege im ereich (20)... 100 200... (1000) Die Stromverstärkug besitzt eie gewisse Abhägigkeit vo der Größe des Kollektorstromes. Sie steigt zuächst mit, bleibt da über ei bis zwei Größeorduge vo aäherd kostat ud sikt bei och höhere Stromwerte wieder ab (siehe z.. Keliie = f() i Aufgabe 12-1). Die Stromverstärkug hat eie positive Temperaturkoeffiziete vo ca. 0,66 %/K. Für kleie Äderuge vo asis- ud Kollektorstrom verwedet ma die di Wechselstromverstärkug β =. Für die meiste Aweduge gilt β. di m eglischsprachige Raum wird die Gleichstromverstärkug icht mit soder meist mit HF ud die Wechselstromverstärkug icht mit β soder mit hfe bezeichet. Leider werde die Regel für Groß- ud Kleischreibug hier sehr uterschiedlich gehadhabt (z.. Hfe oder hf). (Zu de sog. h-parameter siehe Ahag, Abschitte.2.1 ud.2.3). 9.4.3 Kollektorschaltug 9.4.3.1 Prizipschaltug U R Abbildug 9-22 Trasistor i Kollektorschaltug (a) US1 U U US2 (b) äquivalete Schaltug US1 * U U - R UQ US2 Wie bei der mitterschaltug wird a der asis gesteuert (igagsstrom ). Das Ausgagssigal wird jedoch icht am Kollektor soder am mitter abgegriffe (Ausgagsstrom ). 117

9.4.3.2 Keliie Für die Kollektorschaltug werde die Keliie des Trasistors i mitterschaltug verwedet. 9.4.3.3 Strom- ud Spaugsverstärkug Für die Kollektorschaltug des Trasistors ist keie eigee Stromverstärkug defiiert. Mit - = + + = (+1) ergibt sich eie Stromverstärkug vo (+1). Die Ausgagsspaug des Trasistors i Kollektorschaltug (siehe Abbildug 9-22a) beträgt: U = U + U Da i- ud Ausgagssigale meist auf Masse ud icht auf das Versorgugspotetial bezoge werde (siehe Abbildug 9-22b), gilt: U = US2 -UQ U = US2 - U Daraus ergibt sich: UQ = U - U Da sich die asis-mitterspaug des leitede Trasistors (Durchlassspaug der - Diode) icht oder ur i ege Greze ädert, folgt die Ausgagsspaug der igagsspaug etwa im Verhältis 1:1. Die Spaugsverstärkug der Kollektorschaltug beträgt daher AU 1 9.4.4 Umrechug der Stromverstärkuge Mit ud A = + ergebe sich zwische de Stromverstärkuge i asis- ud mitterschaltug folgede Umrechugsgleichuge: A ud 1+ A 1 A 9.5 Darligto- oder Super-eta-Schaltug Die Stromverstärkug eies Trasistors i mitter- oder Kollektorschaltug lässt sich weiter vergrößer mit der sog. Darligto-Schaltug (auch Super-eta-Schaltug geat). ei der Darligto-Schaltug werde zwei Trasistore so hitereiader geschaltet, dass sich ihre Stromverstärkuge multipliziere. Die Darligto-Schaltug lässt sich mit gleichartige oder mit komplemetäre Trasistore aufbaue. 118

Abbildug 9-23: Darligto-Schaltug mit gleichartige Trasistore ges mit komplemetäre Trasistore ges 1 T1 T2 T2 ges 1 T1 ges 1 + 2 ges = = 1 + Mit 2 1 = 2 2 erechug der Gesamt-Stromverstärkug: = 2 2 1 ( 1 + 1) wird ges = 1 + 2 + 1 2 1 ges Mit 1 = 2 1 = 2 2 2 = 1 = + 1 2 1 Wird ges = 1 + 1+ 1 2 beide Fälle gilt also äherugsweise ges 1 2 ud aalog für Wechselsigale β β β 9.6 Date vo Trasistore Tabelle 9-1 p-typ Grezwerte ges 1 2 Ausgewählte Date verschiedeer Trasistore 107 A// 140 6/10/16 2 1 = 2 1 1 2N6621 2N3055 517 Darligto Kollektor-asis-Sperrspaug U 0 50 V 80 V 25 V 100V 40 V mitter-asis-sperrspaug U 0 5 V 7 V 2,5 V 7 V 10 V Kollektorstrom 100 ma 1 A 25 ma 15 A 400 ma Verlustleistug P tot 300 mw 3,7 W (1) 200 mw 115 W (2) 625 mw Sperrschichttemperatur ϑ j 175 175 150 200 150 Typische Kewerte Stromverstärkug 170 / 290 / 500 63 / 100 / 160 > 25 20-60 > 30 000 Trasitfrequez (3) f T 150 MHz 50 MHz 1,9 GHz 1 MHz 220 MHz Reststrom (25 ) S < 15 A < 100 A < 50 A <100 A Wärmewiderstad (Sperrschicht-Umgebug) R th 500 K/W 200 K/W 400 K/W 1,5 K/W (4) 200 K/W (1) Mit Kühlkörper (2) Mit Kühlug auf Gehäusetemperatur ϑ G 25 (3) Frequez bei der die Stromverstärkug β = 1 wird. (4) erer Wärmewiderstad R th/j-g 119

9.7 Übugsaufgabe zu Aufbau ud Fuktiosweise des bipolare Trasistors Aufgabe 9-1: Trasistorphysik (a) Warum muss die Dotierug des mitters sehr viel höher sei als die Dotierug der asis? (b) Warum soll die Dicke der asisschicht möglichst gerig sei? (c) Warum wählt ma die Dotierug des Kollektors deutlich geriger als die des mitters? (d) Was versteht ma uter dem Trasistoreffekt? (e) Was versteht ma uter dem Diffusiosdreieck? (f) Wie groß ist die Mioritätsträgerdichte am emitterseitige ud am kollektorseitige de der asiszoe? (Silizium-p-Trasistor; asisdotierug: ND = 10 15 cm -3 + NA = 10 17 cm -3 (asis i Kollektorzoe eidiffudiert) i = 10 10 cm -3 ; UT = 26 mv; U = 0,52 V; U = 10 V) (g) Wodurch etsteht der Kollektor-asis-Reststrom 0? Aufgabe 9-2: Trasistoreigeschafte (a) rkläre de arlyeffekt. Wie wirkt er sich i de Trasistorkeliie aus? (b) Wie uterscheide sich die Trasistor-Ausgagskeliie für mitter- ud asisschaltug? (c) i Trasistor hat folgede Dotieruge: - Kollektor: ND = 10 15 cm -3 - asis: ND = 10 15 cm -3 + NA = 10 16 cm -3 (asis i Kollektorzoe eidiffudiert) - mitter: NA = 10 16 cm -3 + ND = 2 10 18 cm -3 (mitter i asiszoe eidiffudiert) mitterschaltug hat hat er die Date: = 100; Umax = 300 V. Schätze Sie die Date * ud Umax * für iverse etrieb (Kollektor ud mitter vertauscht). egrüdug agebe. (d) Warum sikt die Stromverstärkug des Trasistors bei Sättigug? (e) Wie groß ist bei mitterschaltug für = 0 (0 icht verachlässige)? (f) Was versteht ma uter der (i de Dateblätter agegebee) Trasitfrequez? 120